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电解电容器中的纹波电流和额定纹波电流
发布者:beryl 来源:马彦斌 绿宝石股份技术中心副主任 发布时间:2016/6/1 15:29:50

1 电解电容器的纹波电流
      电解电容器在使用过程,加在电解电容器两端的电压随时间波动变化,忽高忽低,电容器就产生充放电,有电荷流动,形成电流,电解电容器上这个高低不停变化的电压,其随时间变化的曲线类似在平静的池塘面投下一块石子,石子在水面激起的一圈圈链漪有波峰也有波谷。于是人们形象地把电解电容器两端的这种电压称纹波电压,由纹波电压所加在电容器上,电容器就进行充放电,由此在电容器中形成的电流就形象的称之为纹波电流。电解电容器中的纹波电流I和其两端的纹波电压V及容量C,其上的电量Q有下面的关系:
 因为C=Q⁄V=(dQ⁄dt)/(dV⁄dt) dQ⁄dt=I
 所以I=C×(dV⁄dt)

2  电解电容器的额定纹波电流  
     电解电容器在使用过程中有一个重要参数,即电解电容器的额定纹波电流,该参数不同的厂家有不同的值,就是同一厂家同一规格不同系列的产品,其额定的纹波电流也不一定相同。它是由电解电容器制造商给出的。电解电容器中的纹波电流和其额定纹波电流是两个不同的概念   

         电解电容器的额定纹波电流的确定,主要是根据该规格电解电容器的用途及使用条件及工作时间(俗称寿命)和电容器自身的材料性能由电解电容制造商来确定的。

3  确定某一规格电解电容器的额定纹波电流需要考虑的因素
  (1)电解电容器的寿命
    寿命是电解电容器制造商对用户的承诺,简单点讲就是电容器在一定使用条件所能有效工作的时间,也是用户进行电解电容选型的重要关注点之一,这个一般各制造商在其产品手册上都会给出。

      2)电解电容的等效串联电阻ESR
        ESR大小决定了纹波电流在电解电容器中的发热量的大小。理论上讲纹波电流在电解电容器中产生的热量(单位时间里):这里I是纹波电流的有效值,ESR是电容器的等效串联电阻。

      (3)电解电容在上限温度时,电解电容内部的压力
        当工作时,电解电容工作时所处的环境温度比较高。由于电解电容器自身的损耗发热,其内部的温度比所处的环境温度要高,一般的湿式电解电容器的液态电解液都会产生汽化,产生一定的蒸汽压,该蒸汽压和被封在电解电容器内部的空气所产生的压力构成了电解电容内部的总压力,各种分压的大小遵从道尔顿分压定理。内部总压力不能大于电解电容器铝壳安全阀的抗压强度,否则安全阀会开启,电解电容器失效。电解电容器内部压力和外部压力差是造成电解液泄漏的原因。

      (4)电解电容的密封特性
         由于电解电容的电解液是液态的,电解电容在工作时,电解液汽化产生蒸汽压,为防止电解液逃逸造成电解失效,就用铝壳和胶盖将芯子密封起来,胶盖与铝壳和芯子铝梗的密封,是一种非匹配密封,都会有一定的泄露,泄露的大小除与胶盖材质封接表面光洁度,铝壳铝梗表面光洁度,封口工艺,铝梗与胶盖孔配合程度之外还和电解液在电解电容工作时产生的饱含蒸汽压有关,饱和蒸汽压越大,电解电容内部与铝壳外界的压力差就越大,电解液的泄露也就越快,相对而言,电解电容的寿命就会缩短。 
  

        (5)  电解液的稳定性
          电解液在电解电容工作时,温度本身就比较高,电解液除修复正箔氧化膜之外,自身还进行着一些化学反应。例如以乙二醇为溶剂的电解液在高温下会发生脂化反应,因此电解液的稳定性对电解的寿命也有主要的影响,但是一般来说,稳定性越好,导电率就越差,这是一对矛盾,故长寿命高温电解的ESR不能过分要求太小。

       (6)其他因素
              总体来说影响电解电容的额定纹波电流的因素很多,除以上5点比较重要的因素之外,电解液修复氧化膜的能力,正极箔的损耗都要考虑。此外还要考虑到电解电容的可靠性,电解电容器的额定纹波电流是在一定温度频率下,电解上施压的电压不超过额定值,其在电解上产生的纹波电流不超过额定纹波电流则可保证电解电容器寿命不低于厂商承诺的值,电解电容器的额定纹波电流不是能直接计算出来的,也不是简单的测试几个参数就能确定,必须进行一定的批量的寿命试验才能确定的,这样是要花费相当的成本和时间,流传的用测试电解电容内部芯子最高温升来确定纹波电流的方法很不全面,只考虑了电解的发热,没有考虑其它众多因素。比如,若电解电容器的密封性差,即使电解温升不高,在较高环境温度下,电解液也会很快逃逸,电解失效,另外,电解电容内部的最高温度如何确定,测试带来的误差如何确定等都未明确给出方法。
            用户在使用电解电容器的过程中,为了保证电解电容器的寿命应根据工作的实际情况使电解上的纹波电流不超过厂家规定的额定值,也就是说电解电容的额定纹波电流就是在厂家规定的条件下为保证工作寿命在电解电容上所能施加的最大纹波电流。

4  频率修正系数
        在电解电容器的实际使用中,有多种多样的情况,用于功率电子方面的电解电容,一般是用于市电整流后的的滤波和高频整流后滤波的场合(f≤100kHz)滤波。但大多数电解电容制造商都会直接给出的是100kHz或120Hz时的额定纹波电流。电解电容器额定的纹波电流在不同的频率下有不同的值,一般电解电容制造商都给出了频率修正系数,在不同频率下使用时,其额定纹波电流都要作以修正。
        纹波电流修正系数是厂家根据自己产品的设计及性能和材料制造工艺来确定,在考虑这些情况后再实际测试电解电容器的ESR随频率的变化,根据不同频率下额定纹波电流发热是相等的原则,即:
        If12(f1)×ESR(f1)=I2f2(f2) ×ESR(f2)
        其中,f1,f2是不同纹波电流的频率。
        ESR(f1),ESR(f2)是电解电容器分别在f1,f2频率下的等效串联电阻。If1,If2是电解电容器分别在f1,f2频率下的额定纹波电流。
        实际上通过电解电容上的纹波电流是很复杂的很少有简谐波,对各种频率不连续的纹波电流,其是否超过额定纹波电  流,可按以下公式来确定:纹波电流在电解中单位时间里的发热量(Q) 各频率简谐纹波电流单位时间里发热量的总和为:
     Q=∑Ifi2× ESR(fi )(i=0,1,23。。。N)
    这Ifi 分别是电解电容器上通过频率为fi 时该频率纹波电流的分量,ESR(fi)是电解电容是在该频率下的等效串联电阻。
    在f0频率下额定纹波电流I0(f0),在电解中单位时间里的发热量Qf0:
    Qf0=I02(f0)× ESR(f0)
    若Q≤Qf0 则说明电解中通过的纹波电流没有超过额定值,制造商提供的在额定温度下额定电压的寿命能保证达到。
        若 Q﹥Qf0则说明电解电容器中的纹波电流超过其额定值。即在额定温度电压寿命不能达到厂家承诺的寿命。
    Ifi是纹波电流的各个频率的分量,通过对纹波电流做频谱分析可获得。
    上面的式子也可以变成:
        Q/Qf0 –{∑[ESR(fi )/ ESR(f0)]}/ I02(f0)
    实际上,因电解电容的ESR是随使用时间变化的,它随使用时间而增加,同时也为了保证可靠性一般ESR都取得比实际要大些值,ESR(fi)随电解使用时间的变化规律相同,只要测出ESR(fi) 的变化规律求出其相对某频率(f0)的相对值ESR(fi)/ ESR(f0)即可。
    若Q/Qf0。>1,说明电解电容器中的纹波电流大于其额定值。
    若Q/Qf0。<1,说明电解电容器中的纹波电流小于其额定值。
    若Q/Qf0。=1,说明电解电容器中的纹波电流等于其额定值。
    在实际使用中,考虑到可靠性的要求,一般电解电容中的纹波电流为其额定值的80%。
    以上的方法是理论推导,在实际工程中,利用厂家提供的纹波修正系数亦可方便地确定电解中的纹波电流是否超过其额定值。
      
 

 

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